DE102021107965A1 - Thermische vorrichtung zum heizen und kühlen von batteriemodulen - Google Patents

Thermische vorrichtung zum heizen und kühlen von batteriemodulen Download PDF

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Abstract

Eine thermische Vorrichtung umfasst eine erste Schicht aus einem nicht-metallischen Material, das ein guter Wärme- und Elektrizitätsleiter ist, die einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist und die eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche hat; ein metallisches Material, das auf der ersten Oberfläche der ersten Schicht angeordnet ist; eine erste Kunststoffschicht, die auf dem metallischen Material angeordnet ist; und eine zweite Kunststoffschicht, die auf der zweiten Oberfläche der ersten Schicht angeordnet ist. Die erste Kunststoffschicht und die zweite Kunststoffschicht enthalten ein Kunststoffmaterial, das ein guter Wärmeleiter ist.

Description

  • EINLEITUNG
  • Die Informationen in diesem Abschnitt dienen dazu, den Kontext der Offenbarung allgemein darzustellen. Arbeiten der vorliegend genannten Erfinder, soweit sie in diesem Abschnitt beschrieben sind, sowie Aspekte der Beschreibung, die zum Zeitpunkt der Anmeldung möglicherweise nicht zum Stand der Technik gehören, sind weder ausdrücklich noch stillschweigend als Stand der Technik gegen die vorliegende Offenbarung zugelassen.
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Batteriemodule und insbesondere auf eine thermische Vorrichtung zum Heizen und Kühlen von Batteriemodulen.
  • Batteriemodule, die mehrere Zellen umfassen (d.h. Batterien), werden in einer Vielzahl von Anwendungen, einschließlich Hybrid- und Elektrofahrzeugen, eingesetzt. Die Batteriemodule können im Betrieb überhitzen. Umgekehrt können die Batteriemodule beim Kaltstart oder im Start-Stopp-Betrieb kalt sein. Unter beiden Bedingungen arbeiten die Batteriemodule möglicherweise nicht ordnungsgemäß.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Eine thermische Vorrichtung umfasst eine erste Schicht aus einem nicht-metallischen Material, das ein guter Wärme- und Elektrizitätsleiter ist, die einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss umfasst und die eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist; ein metallisches Material, das auf der ersten Oberfläche der ersten Schicht angeordnet ist; eine erste Kunststoffschicht, die auf dem metallischen Material angeordnet ist; und eine zweite Kunststoffschicht, die auf der zweiten Oberfläche der ersten Schicht angeordnet ist. Die erste Kunststoffschicht und die zweite Kunststoffschicht enthalten ein Kunststoffmaterial, das ein guter Wärmeleiter ist.
  • Ein weiteres Merkmal ist, dass das nicht-metallische Material Graphit, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, gepressten Graphit oder Kohlenstoffpulver, ein Polymer oder ein Phasenwechselmaterial enthält.
  • Ein weiteres Merkmal ist, dass das metallische Material, der erste Anschluss und der zweite Anschluss Kupfer, Aluminium, Nickel, eine Nickelbeschichtung mit Kupfer, rostfreien Stahl oder eine Aluminiumlegierung enthalten.
  • Ein weiteres Merkmal ist, dass das Kunststoffmaterial Polyphenylensulfid, Polybutylenterephthalat, Flüssigkristallpolymer, Polycarbonat oder Polyamid umfasst.
  • Ein weiteres Merkmal ist, dass das Kunststoffmaterial der ersten Kunststoffschicht ein anderes ist als das Kunststoffmaterial der zweiten Kunststoffschicht.
  • In einem weiteren Merkmal sind die Dicken der ersten Kunststoffschicht und der zweiten Kunststoffschicht unterschiedlich.
  • In anderen Merkmalen umfasst ein System die thermische Vorrichtung und eine Batterie mit N Zellen, wobei N eine positive ganze Zahl ist. Die thermische Vorrichtung ist um mindestens eine der N Zellen herum angeordnet. Der erste Anschluss ist mit einem Pluspol oder einem Minuspol der Batterie verbunden. Der zweite Anschluss ist über einen Schalter mit dem anderen der beiden Pole (Plus und Minus) der Batterie verbunden.
  • Ein weiteres Merkmal ist, dass die erste Schicht der thermischen Vorrichtung Wärme von der mindestens einen der N Zellen ableitet.
  • In einem weiteren Merkmal umfasst das System außerdem eine Startschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie ein Signal zum Verbinden der Batterie mit einer Last empfängt und den Schalter in Reaktion auf den Empfang des Signals schließt.
  • In einem weiteren Merkmal fließt Strom durch die erste Schicht und erwärmt die erste Schicht und das metallische Material, und das metallische Material erzeugt Infrarotstrahlung, die die mindestens eine der N Zellen erwärmt.
  • In einem weiteren Merkmal umfasst das System außerdem einen Temperatursensor, der so konfiguriert ist, dass er eine Temperatur der mindestens einen der N Zellen erfasst. Die Startschaltung ist so konfiguriert, dass sie den Schalter in Antwort darauf schließt, dass die Temperatur unter einer Schwellentemperatur liegt, und den Schalter in Antwort darauf öffnet, dass die Temperatur größer oder gleich der Schwellentemperatur ist.
  • In weiteren Merkmalen umfasst ein System M der thermischen Vorrichtungen nach Anspruch 1, wobei M eine positive ganze Zahl ist; und M miteinander verbundene Batterien, wobei jede der M Batterien N Zellen enthält, wobei N eine positive ganze Zahl ist. Die M thermischen Vorrichtungen sind angeordnet jeweils um mindestens eine der N Zellen der M Batterien herum; jeweils um die M Batterien herum, ohne um die N Zellen der M Batterien herum angeordnet zu sein; oder beides. Der erste Anschluss der M thermischen Vorrichtungen ist mit dem Pluspol oder dem Minuspol der M Batterien verbunden. Der zweite Anschluss der M thermischen Vorrichtungen ist über einen entsprechenden Schalter mit dem jeweils anderen des Pluspols und des Minuspols der M Batterien verbunden.
  • Ein weiteres Merkmal ist, dass die erste Schicht der M thermischen Vorrichtungen jeweils Wärme von der mindestens einen der N Zellen der M Batterien oder jeweils von den M Batterien ableitet.
  • In einem weiteren Merkmal umfasst das System außerdem eine Startschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie ein Signal zum Anschließen einer Last an die M Batterien empfängt und den Schalter für mindestens eine der M thermischen Vorrichtungen in Reaktion auf den Empfang des Signals schließt.
  • In einem weiteren Merkmal fließt Strom durch die erste Schicht und erwärmt die erste Schicht und das metallische Material der mindestens einen der M thermischen Vorrichtungen, und das metallische Material der mindestens einen der M thermischen Vorrichtungen erzeugt Infrarotstrahlung, die die mindestens eine der N Zellen der M Batterien bzw. die mindestens eine der M Batterien erwärmt.
  • In einem weiteren Merkmal umfasst das System außerdem einen Temperatursensor, der so konfiguriert ist, dass er eine Temperatur der mindestens einen der N Zellen von mindestens einer der M Batterien erfasst. Die Startschaltung ist so konfiguriert, dass sie den Schalter für mindestens eine der M thermischen Vorrichtungen in Antwort darauf schließt, dass die Temperatur unter einer Schwellentemperatur liegt, und den Schalter für mindestens eine der M thermischen Vorrichtungen in Antwort darauf öffnet, dass die Temperatur größer oder gleich der Schwellentemperatur ist.
  • In anderen Merkmalen umfasst die thermische Vorrichtung ferner eine zweite Schicht aus einem nicht-metallischen Material, das ein guter Wärme- und Elektrizitätsleiter ist, die einen dritten Anschluss und einen vierten Anschluss umfasst und die eine dritte Oberfläche und eine vierte Oberfläche hat; und ein zweites metallisches Material, das auf der dritten Oberfläche der zweiten Schicht angeordnet ist; wobei die erste Kunststoffschicht auf dem zweiten metallischen Material angeordnet ist; und die zweite Kunststoffschicht auf der vierten Oberfläche der zweiten Schicht angeordnet ist.
  • In anderen Merkmalen ist mindestens eine der Dicken der ersten Schicht und der zweiten Schicht unterschiedlich, und die Dicken des metallischen Materials und des zweiten metallischen Materials sind unterschiedlich.
  • In anderen Merkmalen umfasst ein System die thermische Vorrichtung und eine Batterie mit N Zellen, wobei N eine positive ganze Zahl ist. Die thermische Vorrichtung ist um mindestens eine der N Zellen herum angeordnet. Der erste Anschluss und der dritte Anschluss sind mit dem Pluspol oder dem Minuspol der Batterie verbunden. Der zweite Anschluss und der vierte Anschluss sind über einen ersten Schalter bzw. einen zweiten Schalter mit dem jeweils anderen des Pluspols und des Minuspols der Batterie verbunden.
  • In anderen Merkmalen leiten die erste Schicht und die zweite Schicht Wärme von der mindestens einen der N Zellen ab. Das System umfasst ferner eine Startschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie ein Signal zum Verbinden der Batterie mit einer Last empfängt und als Reaktion auf den Empfang des Signals den ersten Schalter und/oder den zweiten Schalter schließt. Strom fließt durch die erste Schicht und/oder die zweite Schicht und erwärmt die erste Schicht und/oder die zweite Schicht sowie das metallische Material und/oder das zweite metallische Material. Das metallische Material und/oder das zweite metallische Material erzeugen Infrarotstrahlung, die die mindestens eine der N Zellen erwärmt.
  • Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der detaillierten Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen. Die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
  • Figurenliste
  • Die vorliegende Offenbarung wird aus der detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen vollständiger ersichtlich, wobei gilt:
    • 1A zeigt ein Beispiel für ein System, das ein Batteriemodul und eine thermische Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst;
    • 1 B zeigt ein Beispiel für eine thermische Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
    • 2A zeigt ein Beispiel für eine thermische Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
    • 2B zeigt ein weiteres Beispiel für eine thermische Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
    • 3A zeigt ein Beispiel für ein Batteriemodul;
    • 3B zeigt ein Beispiel des Batteriemoduls von 3A mit der thermischen Vorrichtung von 2A, die um die Zellen des Batteriemoduls herum gemäß der vorliegenden Offenbarung angeordnet ist;
    • 4A zeigt ein Beispiel für die Wärmeübertragung von der thermischen Vorrichtung zu einer Zelle des Batteriemoduls von 3B gemäß der vorliegenden Offenbarung;
    • 4B zeigt ein Beispiel für die Wärmeübertragung von einer Zelle des Batteriemoduls zur thermischen Vorrichtung von 3B gemäß der vorliegenden Offenbarung;
    • 4C zeigt die Wärmeverteilung in einer oder mehreren Zellen des Batteriemoduls mit und ohne die thermische Vorrichtung von 3B gemäß der vorliegenden Offenbarung;
    • 5A, 5B, 6A, 6B und 6C zeigen weitere Beispiele von Batteriemodulen mit den thermischen Vorrichtungen der 2A und 2B, die um Zellen der Batteriemodule herum gemäß der vorliegenden Offenbarung angeordnet sind;
    • 7A und 7B zeigen eine kaskadierte Anordnung von Batteriemodulen mit der thermischen Vorrichtung von 2A, die um die Zellen der Batteriemodule herum gemäß der vorliegenden Offenbarung angeordnet sind;
    • 8A-8D zeigen Beispiele einer Bipolarzelle mit den thermischen Vorrichtungen der 2A und 2B, die gemäß der vorliegenden Offenbarung um die Bipolarzelle herum angeordnet sind;
    • 9A, 9B und 9C zeigen Beispiele für Bipolarzellen und die thermischen Vorrichtungen aus 2A und 2B, die gemäß der vorliegenden Offenbarung um die Bipolarzellen herum angeordnet sind;
    • 10A zeigt ein Beispiel für eine duale thermische Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
    • 10B zeigt ein weiteres Beispiel für eine duale thermische Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
    • 11A zeigt ein Beispiel eines Batteriemoduls mit der dualen thermischen Vorrichtung von 10A, die um die Zellen des Batteriemoduls herum gemäß der vorliegenden Offenbarung angeordnet ist; und
    • 11B zeigt ein Beispiel einer Bipolarzelle mit der dualen thermischen Vorrichtung von 10A, die um die Bipolarzelle herum gemäß der vorliegenden Offenbarung angeordnet ist.
  • In den Zeichnungen können Bezugszahlen erneut verwendet werden, um ähnliche und/oder identische Elemente zu bezeichnen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die vorliegende Offenbarung stellt eine thermische Vorrichtung bereit, um Batteriemodule beim Kaltstart und während des Start/Stopp-Betriebs zu erwärmen und eine Überhitzung der Batteriemodule während des Betriebs zu verhindern. Die thermische Vorrichtung umfasst eine erste Schicht aus einem nicht-metallischen Material, das ein guter Wärme- und Elektrizitätsleiter ist, ein Paar Metalldrähte, die auf der ersten Schicht angeordnet sind, und zwei Schichten aus einem Kunststoffmaterial, das ein guter Wärmeleiter ist und die erste Schicht und die Metalldrähte umschließt. Die Metalldrähte und die erste Schicht sind zwischen den beiden Schichten des Kunststoffmaterials eingebettet. Die Kunststoffschichten mit den Metalldrähten und der ersten Schicht sind um eine oder mehrere Zellen eines Batteriemoduls herum und/oder um ein oder mehrere Batteriemodule herum angeordnet.
  • Um das Batteriemodul beim Kaltstart und während des Start/Stopp-Betriebs zu beheizen, ist die erste Schicht über einen Schalter mit dem Batteriemodul verbunden. Wenn der Schalter geschlossen (eingeschaltet) ist, versorgt das Batteriemodul die erste Schicht mit Strom. Die erste Schicht erwärmt sich durch die Widerstandsheizung, die die Metalldrähte erwärmt und die Metalldrähte zur Erzeugung von Infrarotstrahlung veranlasst. Die Kunststoffschichten leiten die Joule-Wärme und die Wärme der Infrarotstrahlung zur Beheizung der Zellen des Batteriemoduls. Der Schalter wird geöffnet (ausgeschaltet), wenn die Temperatur des Batteriemoduls einen Schwellenwert erreicht.
  • Umgekehrt wird, wenn das Batteriemodul während des Betriebs heiß wird, die Wärme von heißen Punkten bzw. Hotspots in den Zellen des Batteriemoduls über die erste Schicht verteilt, was die Bildung der heißen Punkte verhindert. Die thermische Vorrichtung kann in Niederspannungs-Batteriemodulen implementiert werden, um die Verwendung einer breiten Palette von Zellen (z.B. kostengünstige LFP-Zellen, Festkörperbatterien usw.) für Hochleistungs-Batteriemodule zu ermöglichen. Diese und andere Merkmale der thermischen Vorrichtung der vorliegenden Offenbarung werden im Folgenden detailliert beschrieben. Obwohl in der vorliegenden Offenbarung ein Fahrzeug als Beispiel zur Veranschaulichung verwendet wird, sind die Lehren der vorliegenden Offenbarung auch auf Nicht-Fahrzeug-Implementierungen anwendbar.
  • Die vorliegende Offenbarung ist wie folgt gegliedert. Beispiele für eine thermische Vorrichtung und für ein System, das die thermische Vorrichtung verwendet, werden mit Bezug auf 1A und 1B gezeigt und beschrieben. Beispiele für eine thermische Vorrichtung werden mit Bezug auf 2A und 2B gezeigt und beschrieben. Beispiele für ein Batteriemodul und eine thermische Vorrichtung, die um die Zellen des Batteriemoduls herum angeordnet ist, werden mit Bezug auf 3A und 3B gezeigt und beschrieben. Die von der thermischen Vorrichtung durchgeführte Heizung und Wärmeverteilung wird anhand der 4A-4C gezeigt und beschrieben. Weitere Beispiele für ein Batteriemodul und eine thermische Vorrichtung, die um die Zellen des Batteriemoduls herum angeordnet ist, werden in den 5A-6C gezeigt und beschrieben.
  • Beispiele für eine Vielzahl von miteinander verbundenen Batteriemodulen und eine thermische Vorrichtung, die um Zellen der Batteriemodule herum angeordnet ist, werden mit Bezug auf 7A und 7B gezeigt und beschrieben. Beispiele für eine Bipolarzelle und eine um die Bipolarzelle herum angeordnete thermische Vorrichtung werden mit Bezug auf 8A-8D gezeigt und beschrieben. Weitere Beispiele für die Bipolarzelle und eine thermische Vorrichtung, die um die Bipolarzellen herum angeordnet ist, werden mit Bezug auf die 9A-9C gezeigt und beschrieben. Beispiele für eine duale thermische Vorrichtung werden mit Bezug auf 10A und 10B gezeigt und beschrieben. Beispiele von Batteriemodulen und der dualen thermischen Vorrichtung, die um die Zellen der Batteriemodule herum angeordnet ist, werden mit Bezug auf 11A und 11B gezeigt und beschrieben.
  • 1A zeigt ein System 100 mit einer thermischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung. Das System 100 umfasst ein Batteriemodul 102, eine thermische Vorrichtung 104, ein Batteriemanagementmodul (BMM) 106, ein Startmodul 108 und ein Kommunikationsmodul 110. Ein Shunt 111 ist in Reihe mit dem Batteriemodul 102 geschaltet und mit dem BMM 106 verbunden, um den vom Batteriemodul 102 gelieferten Strom zu messen. Das BMM 106, das Startmodul 108 und das Kommunikationsmodul 110 sind mit einem Controller Area Network (CAN)-Bus 112 in einem Fahrzeug (nicht gezeigt) verbunden und kommunizieren darüber. Zusätzliche Steuermodule, die andere Subsysteme des Fahrzeugs steuern (z.B. ein Maschinensteuermodul, ein Motorsteuermodul, ein Getriebesteuermodul, ein Infotainment-Subsystem-Steuermodul usw; alle nicht dargestellt) können an den CAN-Bus 112 angeschlossen sein.
  • Nur als Beispiel wird gezeigt, dass das Batteriemodul 102 nur vier in Reihe geschaltete Zellen 103-1, 103-2, 103-3 und 103-4 (zusammen Zellen 103) enthält. Alternativ kann das Batteriemodul 102 auch eine beliebige Anzahl von Zellen enthalten. Das Batteriemodul 102 kann z.B. N Zellen enthalten, wobei N eine positive ganze Zahl ist. Des Weiteren können die Zellen im Batteriemodul 102 in verschiedenen Reihen-/Parallelkonfigurationen miteinander verschaltet werden (siehe z.B. 3A ff). Der Pluspol und der Minuspol des Batteriemoduls 102 sind mit einer Last (z.B. einem Motor eines Elektrofahrzeugs, nicht gezeigt) verbunden, die von dem Batteriemodul 102 mit Strom versorgt werden soll.
  • Das Batteriemodul 102 kann einen oder mehrere Temperatursensoren enthalten, die sich in der Nähe einer oder mehrerer Zellen 103 des Batteriemoduls 102 befinden. Nur als Beispiel sind vier Temperatursensoren 116-1, 116-2, 116-3 und 116-4 (zusammen Temperatursensoren 116) dargestellt. Alternativ kann das Batteriemodul 102 auch N Temperatursensoren enthalten, wobei N eine positive ganze Zahl ist. Die Temperatursensoren 116 erfassen die Temperatur von einer oder mehreren Zellen 103 des Batteriemoduls 102. Jedes der im Folgenden mit Bezug auf 3A ff. dargestellten und beschriebenen Batteriemodulmodule kann (zusammen mit einem oder mehreren der Temperatursensoren 116) anstelle des Batteriemoduls 102 im System 100 verwendet werden.
  • 1B zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels der thermischen Vorrichtung 104. Die thermische Vorrichtung 104 wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 2A und 2B detailliert beschrieben. Die thermische Vorrichtung 104 ist um die Zellen 103 des Batteriemoduls 102 herum angeordnet. Die thermische Vorrichtung 104 umfasst zwei Anschlüsse, die über die erste Schicht in der thermischen Vorrichtung 104 verbunden sind (siehe Elemente 156 und 158 in 2A und 2B). Ein erster Anschluss der thermischen Vorrichtung 104 ist direkt mit einem ersten Pol des Batteriemoduls 102 verbunden. Ein zweiter Anschluss der thermischen Vorrichtung 104 ist über einen Schalter 114 mit einem zweiten Pol des Batteriemoduls 102 verbunden. Alternativ kann, obwohl nicht dargestellt, der erste Anschluss der thermischen Vorrichtung 104 über den Schalter 114 mit dem ersten Pol des Batteriemoduls 102 verbunden sein, und der zweite Anschluss der thermischen Vorrichtung 104 kann direkt mit einem zweiten Pol des Batteriemoduls 102 verbunden sein. Der Schalter 114 kann z.B. ein Relais, einen Feldeffekttransistor oder eine andere Schaltvorrichtung enthalten.
  • Während des Kaltstarts schließt (schaltet ein) das Startmodul 108 den Schalter 114 und verbindet die thermische Vorrichtung 104 mit dem Batteriemodul 102. Alternativ kann das Kommunikationsmodul 110 ein Signal von einem entfernten Gerät (z.B. einem Schlüsselanhänger, der mit einem Fernstarter ausgestattet ist, nicht gezeigt) empfangen, und als Reaktion auf den Empfang des Signals von dem entfernten Gerät kann das Kommunikationsmodul 110 den Schalter 114 schließen und die thermische Vorrichtung 104 mit dem Batteriemodul 102 verbinden. Das Startmodul 108 und das Kommunikationsmodul 110 können direkt, über das BMM 106 oder über einen anderen Controller mit der thermischen Vorrichtung 104 und/oder dem Schalter 114 kommunizieren.
  • Wenn der Schalter 114 geschlossen ist, versorgt das Batteriemodul 102 die thermische Vorrichtung 104 mit Strom. Konkret versorgt das Batteriemodul 102 die erste Schicht in der thermischen Vorrichtung 104 mit Strom. Die erste Schicht in der thermischen Vorrichtung 104 erwärmt sich aufgrund des vom Batteriemodul 102 empfangenen Stroms (d.h. aufgrund des elektrischen Stroms, der bei Empfang des Stroms vom Batteriemodul 102 durch die erste Schicht fließt). Durch die von der ersten Schicht erzeugte Wärme werden die Metalldrähte in der thermischen Vorrichtung 104 (siehe 2A und 2B) heiß und erzeugen Infrarotstrahlung 105. Die Infrarotstrahlung 105 erwärmt die Zellen des Batteriemoduls 102. Die Temperatursensoren 116 erfassen die Temperatur der Zellen 103 des Batteriemoduls 102 und melden die Temperatur an das BMM 106. Wenn die Temperatur der Zellen 103 oder des Batteriemoduls 102 einen Schwellenwert erreicht, öffnet (schaltet aus) das BMM 106 den Schalter 114 und trennt die thermische Vorrichtung 104 vom Batteriemodul 102.
  • Ein ähnlicher Vorgang wird durchgeführt, wenn das Fahrzeug in einem Start/Stopp-Modus betrieben wird. Im Start/Stopp-Modus wird die Stromversorgung vom Batteriemodul 102 zur Last (z.B. ein Motor im Fahrzeug) abgeschaltet, wenn das Fahrzeug anhält (z.B. an einer Ampel oder im Stau), und wird wieder versorgt, wenn der Fahrzeugbetreiber entscheidet, das Fahrzeug zu bewegen. Die Temperatur des Batteriemoduls 102 kann unter den Schwellenwert fallen, wenn das Fahrzeug im Start/Stopp-Modus vorübergehend angehalten wird. Das Startmodul 108 verbindet die thermische Vorrichtung 104 mit dem Batteriemodul 102, wenn die Temperatur des Batteriemoduls 102 im Start/Stopp-Modus unter den Schwellenwert fällt, und trennt die thermische Vorrichtung 104 vom Batteriemodul 102, wenn die Temperatur des Batteriemoduls 102 den Schwellenwert erreicht.
  • Während des Betriebs steigt die Temperatur des Batteriemoduls 102. Die erste Schicht in der thermischen Vorrichtung 104 leitet die Wärme von einer oder mehreren heißen Stellen bzw. Hotspots des Batteriemoduls 102 ab. Die Wärme von den heißen Stellen wird über die erste Schicht in der thermischen Vorrichtung 104 verteilt. So verhindert die thermische Vorrichtung 104 die Bildung von heißen Stellen im Batteriemodul 102.
  • 2A zeigt ein erstes Beispiel für die thermische Vorrichtung 104. Beispielsweise umfasst die thermische Vorrichtung 104 eine erste Schicht 150 aus einem nicht-metallischen Material, das ein guter Wärme- und Elektrizitätsleiter ist, ein Paar Metalldrähte 152-1 und 152-2 (zusammenfassend Metalldrähte 152), die auf der ersten Schicht 150 angeordnet sind, und zwei Schichten aus einem wärmeleitenden Kunststoffmaterial 154-1 und 154-2 (zusammenfassend Kunststoffschichten 154), die die erste Schicht 150 und die Metalldrähte 152 umschließen. Die erste Schicht 150 enthält zwei Anschlüsse (oder Laschen) 156 und 158 zur Aufnahme von Strom. Beispielsweise können die Anschlüsse 156 und 158 der ersten Schicht 150 mit dem Plus- bzw. Minuspol (oder mit bzw. Minus- und Pluspol) einer Zelle oder eines Batteriemoduls (z.B. dem Batteriemodul 102) verbunden werden. Die Kunststoffschichten 154 sind gute Wärmeleiter. Wie hier verwendet, bedeutet der Ausdruck „guter Wärmeleiter“ in Bezug auf die erste Schicht 150 und die Kunststoffschichten 154, dass die Wärmeleitfähigkeit dieser Schichten geeignet ist, eine wünschenswerte Wärmemenge von diesen Schichten auf Zellen und/oder Batteriemodule zu übertragen, und dass die Wärmeleitfähigkeit dieser Schichten mit den mechanischen Eigenschaften dieser Schichten synchron bzw. kompatibel ist.
  • 2B zeigt ein zweites Beispiel für die thermische Vorrichtung 104, die als Element 104-1 dargestellt ist. Der einzige Unterschied zwischen der in 2A gezeigten thermischen Vorrichtung 104 und der in 2B gezeigten thermischen Vorrichtung 104-1 besteht darin, dass sich die Anordnung der Metalldrähte 152-3, 152-4 in der thermischen Vorrichtung 104-1 von der Anordnung der Metalldrähte 152-1, 152-2 unterscheidet und dass sich die Anschlüsse 156-1, 158-1 in der thermischen Vorrichtung 104-1 auf der gleichen Seite der ersten Schicht 150 befinden, anstatt auf den entgegengesetzten Seiten, wie in 2A gezeigt.
  • In der vorliegenden Offenlegung werden die thermischen Vorrichtungen 104 und 104-1 im Allgemeinen, außer wenn sie speziell gekennzeichnet sind, gemeinsam als thermische Vorrichtung 104 bezeichnet; die Metalldrähte 152-1, 152-2, 152-3 und 152-4 werden zusammen als Metalldrähte 152 bezeichnet; die Anschlüsse 156 und 156-1 werden als erster Anschluss 156 der thermischen Vorrichtung 104 bezeichnet; und die Anschlüsse 158 und 158-1 werden als zweiter Anschluss 158 der thermischen Vorrichtung 104 bezeichnet.
  • Die folgende Beschreibung gilt sowohl für 2A als auch für 2B. Während ein Paar Metalldrähte 152 dargestellt ist, kann eine beliebige Anzahl von Metalldrähten verwendet werden. Es können zum Beispiel N Metalldrähte verwendet werden, wobei N eine positive ganze Zahl ist. Außerdem ist die dargestellte Anordnung der Metalldrähte 152 nur ein Beispiel, und jede andere Anordnung kann stattdessen verwendet werden. Die Anordnung der Metalldrähte 152 kann eine beliebige Form haben, solange die Metalldrähte 152 über die erste Schicht 150 verteilt sind. Außerdem müssen die Metalldrähte 152, auch wenn sie als Drähte dargestellt sind, nicht kontinuierlich sein. Das heißt, die Metalldrähte 152 können mehrere diskontinuierliche Segmente enthalten. Außerdem können die Metalldrähte 152 ein Geflecht aus einem metallischen Material enthalten. Das Geflecht kann z.B. die Form eines Gitters haben, oder das Geflecht kann eine unregelmäßige Form haben. In jeder dieser Formen erzeugen die Metalldrähte 152 bei Erwärmung Infrarotstrahlung.
  • Die erste Schicht 150 kann z.B. aus einem Material wie Graphit, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, gepresstem Graphit oder Kohlenstoffpulver, einem Polymer, das Wärme und Elektrizität gut leitet, einem Phasenwechselmaterial usw. hergestellt sein. Aufgrund der Zusammensetzung und der Eigenschaften des Materials umfasst die erste Schicht 150 ein komplexes Widerstandsnetzwerk oder eine Anordnung von zufällig angeordneten Widerstandselementen. Folglich erwärmt sich die erste Schicht 150 aufgrund der Jouleschen Erwärmung, wenn Strom vom Batteriemodul 102 über die erste Schicht 150 angelegt wird und Strom durch diese Widerstandselemente fließt. Zusätzlich sorgen diese Widerstandselemente für einen gleichmäßigen Wärmepfad. Folglich sorgt die erste Schicht 150 für eine passive oder resistive Kühlung, zieht Wärme von den Zellen des Batteriemoduls 102 ab und verteilt die Wärme in der ersten Schicht 150, wodurch Hotspots in den Zellen des Batteriemoduls 102 reduziert oder eliminiert werden. Das Phasenwechselmaterial kann als Wärmekondensator wirken. Das heißt, das Phasenwechselmaterial kann die erzeugte Wärme speichern, während Strom durch die erste Schicht 150 fließt, und kann die gespeicherte Wärme an Zellen und/oder Batteriemodule abgeben, nachdem die erste Schicht 150 vom Strom getrennt wurde.
  • Die Kunststoffschichten 154 können aus einem wärmeleitenden Kunststoff hergestellt sein, wie z.B. Polyphenylensulfid (PPS), Polybutylenterephthalat (PBT), Flüssigkristallpolymer (LCP), Polycarbonat (PC), Polyamid wie PA6, PA46 und so weiter, aber nicht darauf beschränkt. In einigen Implementierungen können beide Kunststoffschichten 154-1 und 154-2 aus dem gleichen Material hergestellt sein und die gleiche Dicke haben. Alternativ können die Kunststoffschichten 154-1 und 154-2 aus dem gleichen Material hergestellt sein und unterschiedliche Dicken haben. In einigen Implementierungen können die Kunststoffschichten 154-1 und 154-2 aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein und die gleiche Dicke haben. In einigen Implementierungen können die Kunststoffschichten 154-1 und 154-2 aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein und unterschiedliche Dicken haben. Die Metalldrähte 152 und die Anschlüsse 156, 158 können aus einem beliebigen metallischen Material hergestellt sein, wie z.B., aber nicht beschränkt auf Kupfer, Aluminium, Nickel, mit Kupfer beschichtetes Nickel, Edelstahl, Aluminiumlegierungen, usw.
  • Die erste Schicht 150, die Metalldrähte 152 und die Kunststoffschichten 154 können homogen sein oder mehrere Schichten umfassen. Die Dicken der ersten Schicht 150, der Metalldrähte 152 und der Kunststoffschichten 154 können in Abhängigkeit von der Anzahl der Zellen in den Batteriemodulen, der Größe und Form der Zellen und der Batteriemodule, den Spannungen der Zellen und der Batteriemodule, den Zellentypen in den Batteriemodulen usw. gewählt werden. Die Dicke der ersten Schicht 150 kann z.B. zwischen 1 Mikrometer und 10 Millimetern liegen.
  • Die thermische Vorrichtung 104 kann auch elektromagnetische Störungen (EMI) reduzieren. Zum Beispiel kann die erste Schicht 150 EMI reflektieren, während die Metalldrähte 152 EMI absorbieren können.
  • Wie in 3A dargestellt und beschrieben, kann die thermische Vorrichtung 104 zwischen jeder Zelle in einem Batteriemodul angeordnet werden. Alternativ kann die thermische Vorrichtung 104 um das Batteriemodul herum angeordnet werden, ohne zwischen den Zellen des Batteriemoduls angeordnet zu sein. Wenn Batteriemodule in einer kaskadierten Anordnung verbunden sind (siehe z.B. 7A), können ferner die Zellen oder Batteriemodule in einem mittleren Teil der kaskadierten Anordnung länger zum Aufheizen brauchen. Dementsprechend kann die thermische Vorrichtung 104 in der kaskadierten Anordnung zwischen jeder Zelle in den Batteriemodulen angeordnet sein, die sich in der Nähe des mittleren Teils der kaskadierten Anordnung befinden, und kann um die Batteriemodule herum angeordnet sein, die sich am Rand der kaskadierten Anordnung befinden, ohne zwischen den Zellen der Batteriemodule angeordnet zu sein, die sich am Rand der kaskadierten Anordnung befinden.
  • In einigen Implementierungen kann die thermische Vorrichtung 104 in der kaskadierten Anordnung ggf. nicht mit den Batteriemodulen am Rand der kaskadierten Anordnung verwendet werden; vielmehr kann die thermische Vorrichtung 104 nur zwischen jeder Zelle in den Batteriemodulen in der Nähe des mittleren Teils der kaskadierten Anordnung angeordnet sein, oder die thermische Vorrichtung 104 kann nur um die Batteriemodule in der Nähe des mittleren Teils der kaskadierten Anordnung angeordnet sein.
  • 3A und 3B zeigen Beispiele für ein Batteriemodul und eine thermische Vorrichtung, die um Zellen des Batteriemoduls herum angeordnet ist. 3A zeigt ein Beispiel eines Lithium-Eisenphosphat (LFP)-Batteriemoduls 200, das vier Zellen umfasst, die in Reihe geschaltet sind, um ein 12-V-Batteriemodul zu bilden. Die vier Zellen sind als 202-1, 202-2, 202-3 und 202-4 dargestellt und werden gemeinsam als Zellen 202 bezeichnet. Zum Beispiel kann jede Zelle 202 im Batteriemodul 200 eine Lithiumionen-Batterie (LIB) auf Basis eines flüssigen Elektrolyten sein. Die Spannung jeder Zelle 202 kann kleiner als oder gleich 5 V sein. Das Batteriemodul 200 kann z.B. in dem in 1A dargestellten System 100 verwendet werden.
  • 3B zeigt ein Beispiel für die in 2A gezeigte thermische Vorrichtung 104, die zwischen und um jede Zelle 202 des in 3A gezeigten Batteriemoduls 200 herum angeordnet ist. In der dargestellten perspektivischen Ansicht ist nur die Kunststoffschicht 154-1 der thermischen Vorrichtung 104 sichtbar.
  • Im Batteriemodul 200 ist der erste Anschluss 156 der thermischen Vorrichtung 104 mit einem Pluspol der ersten Zelle 202-1 des Batteriemoduls 200 verbunden. Ein Minuspol der ersten Zelle 202-1 ist mit einem Pluspol der zweiten Zelle 202-2 des Batteriemoduls 200 verbunden. Ein Minuspol der zweiten Zelle 202-2 ist mit einem Pluspol der dritten Zelle 202-3 des Batteriemoduls 200 verbunden. Ein Minuspol der dritten Zelle 202-3 ist mit einem Pluspol der vierten Zelle 202-4 des Batteriemoduls 200 verbunden. Ein Minuspol der vierten Zelle 202-4 ist über den Schalter 114 mit dem zweiten Anschluss 158 der thermischen Vorrichtung 104 verbunden. Die ersten und zweiten Anschlüsse 156, 158 der thermischen Vorrichtung 104 befinden sich auf entgegengesetzten Seiten des Batteriemoduls 200. Die thermische Vorrichtung 104 kann wie oben unter Bezugnahme auf 1A und 1B beschrieben betrieben werden.
  • Die 4A-4C zeigen die Erwärmung und Wärmeverteilung, die durch die thermische Vorrichtung 104 in dem in 3A und 3B dargestellten Batteriemodul 200 bewirkt werden. 4A zeigt ein Beispiel dafür, wie die thermische Vorrichtung 104 die vierte Zelle 202-4 aufheizt, wenn der Schalter 114 geschlossen ist. Während andere Zellen 202 des Batteriemoduls 200 der Einfachheit halber nicht dargestellt sind, versteht es sich von selbst, dass die anderen Zellen 202 in ähnlicher Weise durch die thermische Vorrichtung 104 erwärmt werden. Die Pfeile 210-1, 210-2 und 210-3 zeigen die Richtung des Stromflusses durch die erste Schicht 150 der thermischen Vorrichtung 104, der die Metalldrähte 152 in der thermischen Vorrichtung 104 erwärmt, die wiederum Infrarotstrahlung 105 erzeugt, die die Zellen 202 des Batteriemoduls 200 erwärmt.
  • 4B zeigt, wie die thermische Vorrichtung 104 den Zellen 202 des Batteriemoduls 200 Wärme entzieht und verteilt. Während der Einfachheit halber nur die vierte Zelle 202-4 dargestellt ist, versteht es sich von selbst, dass die thermische Vorrichtung 104 in ähnlicher Weise Wärme von den anderen Zellen 202 des Batteriemoduls 200 abzieht und verteilt. Das Element 212 zeigt ein Beispiel für einen Hotspot 212 in der vierten Zelle 202-4, und die Pfeile 214-1 und 214-2 zeigen die Richtungen des Wärmeflusses und der Wärmeverteilung vom Hotspot 212 durch die erste Schicht 150 der thermischen Vorrichtung 104.
  • 4C zeigt ein Diagramm der Temperatur über der Zeit für die Zellen 202 des Batteriemoduls 200. Der Graph 216 zeigt, wie sich der Hotspot 212 in eine warme Stelle verwandelt, wenn die thermische Vorrichtung 104 im Batteriemodul 200 verwendet wird. Der Graph 218 zeigt die Bildung des Hotspots 212 in den Zellen 202, wenn die thermische Vorrichtung 104 im Batteriemodul 200 nicht verwendet wird.
  • 5A-6C zeigen weitere Beispiele für Anordnungen 200-1 und 200-2 des Batteriemoduls 200 und der thermischen Vorrichtung 104, die um die Zellen 202 des Batteriemoduls 200 herum angeordnet ist. Die in 5A gezeigte Anordnung 200-1 des Batteriemoduls 200 und der thermischen Vorrichtung 104 ist die gleiche wie in 3B, mit der Ausnahme, dass in 5A der Schalter 114 zwischen dem ersten Anschluss 156 der thermischen Vorrichtung 104 und dem Pluspol der ersten Zelle 202-1 angeordnet ist und der Minuspol der vierten Zelle 202-4 direkt mit dem zweiten Anschluss 158 der thermischen Vorrichtung 104 verbunden ist. Das in der Anordnung 200-1 gezeigte Batteriemodul 200 kann in dem in 1A gezeigten System 100 verwendet werden, und die thermische Vorrichtung 104 kann wie oben mit Bezug auf 1A und 1B beschrieben betrieben werden.
  • 5B zeigt eine Anordnung 200-2 des Batteriemoduls 200 mit der in 2B gezeigten thermischen Vorrichtung 104-1. Die Anordnung 200-2 entspricht der in 3B gezeigten Anordnung, mit der Ausnahme, dass in 5B der erste und der zweite Anschluss 156-1, 158-1 der thermischen Vorrichtung 104-1 auf der gleichen Seite des Batteriemoduls 200 angeordnet sind; der erste Anschluss 156-1 der thermischen Vorrichtung 104-1 ist mit dem Pluspol der ersten Zelle 202-1 des Batteriemoduls 200 verbunden; und der zweite Anschluss 158-1 der thermischen Vorrichtung 104-1 ist über den Schalter 114 mit dem Minuspol der vierten Zelle 202-4 verbunden.
  • Obwohl nicht dargestellt, ist auch eine andere Anordnung möglich, bei der sich die ersten und zweiten Anschlüsse 156-1, 158-1 der thermischen Vorrichtung 104-1 auf derselben Seite des Batteriemoduls 200 befinden; der erste Anschluss 156-1 der thermischen Vorrichtung 104-1 ist über den Schalter 114 mit dem Pluspol der ersten Zelle 202-1 des Batteriemoduls 200 verbunden; und der zweite Anschluss 158-1 der thermischen Vorrichtung 104-1 ist direkt mit dem Minuspol der vierten Zelle 202-4 des Batteriemoduls 200 verbunden. Das in der Anordnung 200-2 gezeigte Batteriemodul 200 kann in dem in 1A gezeigten System 100 verwendet werden, und die thermische Vorrichtung 104-1 kann ähnlich wie die oben unter Bezugnahme auf 1A und 1B beschriebene thermische Vorrichtung 104 betrieben werden.
  • 6A-6C zeigen Anordnungen eines Batteriemoduls 220 und der in 2A und 2B gezeigten thermischen Vorrichtungen 104, 104-1. Diese Anordnungen können in dem in 1A und 1B gezeigten System 100 verwendet werden. 6A zeigt das Batteriemodul 220 mit vier Zellen 222-1, 222-2, 222-3 und 222-4 (zusammen die Zellen 222). Die Zellen 222 ähneln den Zellen 202 des in 3A-5B gezeigten Batteriemoduls 200, mit der Ausnahme, dass jede Zelle 222 einen Pluspol und einen Minuspol auf entgegengesetzten Seiten der Zelle statt auf derselben Seite der Zelle aufweist.
  • 6B zeigt ein Beispiel für die in 2A gezeigte thermische Vorrichtung 104, die zwischen und um jede Zelle 222 des in 6A gezeigten Batteriemoduls 220 herum angeordnet ist. In der dargestellten perspektivischen Ansicht ist nur die Kunststoffschicht 154-1 der thermischen Vorrichtung 104 sichtbar.
  • Im Batteriemodul 220 ist der erste Anschluss 156 der thermischen Vorrichtung 104 mit einem Pluspol der ersten Zelle 222-1 des Batteriemoduls 220 verbunden. Ein Minuspol der ersten Zelle 222-1 ist mit einem Pluspol der zweiten Zelle 222-2 (nicht sichtbar) des Batteriemoduls 220 verbunden. Ein Minuspol der zweiten Zelle 222-2 ist mit einem Pluspol der dritten Zelle 222-3 des Batteriemoduls 220 verbunden. Ein Minuspol der dritten Zelle 222-3 (nicht sichtbar) ist mit einem Pluspol der vierten Zelle 222-4 (nicht sichtbar) des Batteriemoduls 220 verbunden. Ein Minuspol der vierten Zelle 222-4 ist über den Schalter 114 mit dem zweiten Anschluss 158 der thermischen Vorrichtung 104 verbunden.
  • Die ersten und zweiten Anschlüsse 156, 158 der thermischen Vorrichtung 104 befinden sich auf entgegengesetzten Seiten des Batteriemoduls 220. Das Batteriemodul 220 kann in dem in 1A gezeigten System 100 verwendet werden, und die thermische Vorrichtung 104 kann wie oben unter Bezugnahme auf 1A und 1B beschrieben betrieben werden.
  • 6C zeigt ein Beispiel für die in 2B gezeigte thermische Vorrichtung 104-1, die zwischen und um jede Zelle 222 des in 6A gezeigten Batteriemoduls 220 angeordnet ist, was als Anordnung 220-1 dargestellt ist. Die Anordnung 220-1 entspricht der in 6B gezeigten Anordnung, mit der Ausnahme, dass in 6C der erste und der zweite Anschluss 156-1, 158-1 der thermischen Vorrichtung 104-1 auf der gleichen Seite des Batteriemoduls 220 angeordnet sind; der erste Anschluss 156-1 der thermischen Vorrichtung 104-1 ist über den Schalter 114 mit dem Pluspol der ersten Zelle 222-1 des Batteriemoduls 220 verbunden; und der zweite Anschluss 158-1 der thermischen Vorrichtung 104-1 ist mit dem Minuspol der vierten Zelle 222-4 verbunden.
  • Obwohl nicht dargestellt, ist auch eine andere Anordnung möglich, bei der sich die ersten und zweiten Anschlüsse 156-1, 158-1 der thermischen Vorrichtung 104-1 auf derselben Seite des Batteriemoduls 220 befinden; der erste Anschluss 156-1 der thermischen Vorrichtung 104-1 ist direkt mit dem Pluspol der ersten Zelle 202-1 des Batteriemoduls 220 verbunden; und der zweite Anschluss 158-1 der thermischen Vorrichtung 104-1 ist über den Schalter 114 mit dem Minuspol der vierten Zelle 222-4 verbunden. Das in der Anordnung 220-2 gezeigte Batteriemodul 220 kann in dem in 1A gezeigten System 100 verwendet werden, und die thermische Vorrichtung 104-1 kann ähnlich wie die oben unter Bezugnahme auf 1A und 1B beschriebene thermische Vorrichtung 104 betrieben werden.
  • 7A und 7B zeigen ein Beispiel für eine Vielzahl miteinander verbundener (kaskadierter) Batteriemodule und eine thermische Vorrichtung, die um die Zellen der kaskadierten Batteriemodule herum angeordnet ist. In 7A sind zum Beispiel vier Batteriemodule 250-1, 250-2, 250-3 und 250-4 (zusammen Batteriemodule 250) in Reihe geschaltet. Jedes Batteriemodul 250 ähnelt dem Batteriemodul 200, mit der Ausnahme, dass das Batteriemodul 250 drei Zellen 252-1, 252-2 und 252-3 (zusammen Zellen 252) enthält, die parallelgeschaltet sind, anstatt vier Zellen 202, die in Reihe geschaltet sind, wie in 3A-5B gezeigt. Die Zellen 252 sind ähnlich wie die Zellen 202.
  • Jedes Batteriemodul 250 enthält eine entsprechende (d.h. separate) thermische Vorrichtung 104. In jedem Batteriemodul 250 ist zwischen den Zellen 252 und um das Batteriemodul 250 herum eine separate thermische Vorrichtung 104 angeordnet. Ein Beispiel für die thermische Vorrichtung 104 für das Batteriemodul 250 mit drei Zellen 252 ist in 7B dargestellt. Die kaskadierten Batteriemodule 250 können in dem in 1A gezeigten System 100 verwendet werden, und die thermische Vorrichtung 104 jedes Batteriemoduls 250 kann ähnlich wie die oben unter Bezugnahme auf 1A und 1B beschriebene thermische Vorrichtung 104 betrieben werden.
  • In 7A sind in jedem Batteriemodul 250 die Pluspole der Zellen 252 miteinander verbunden, und die Minuspole der Zellen 252 sind miteinander verbunden. Im ersten und dritten Batteriemodul 250-1, 250-3 sind die Pluspole der Zellen 252 direkt mit dem ersten Anschluss 156 der jeweiligen thermischen Vorrichtung 104 verbunden, und die Minuspole der Zellen 252 sind über einen jeweiligen Schalter 114 mit dem zweiten Anschluss 158 der jeweiligen thermischen Vorrichtung 104 verbunden. Im zweiten und vierten Batteriemodul 250-2, 250-4 sind die Minuspole der Zellen 252 direkt mit dem zweiten Anschluss 158 der jeweiligen thermischen Vorrichtung 104 verbunden, und die Pluspole der Zellen 252 sind über einen jeweiligen Schalter 114 mit dem ersten Anschluss 156 der jeweiligen thermischen Vorrichtung 104 verbunden.
  • Die Pluspole des ersten Batteriemoduls 250-1 sind mit den Minuspolen des zweiten Batteriemoduls 250-2 verbunden. Folglich sind der erste Anschluss 156 der thermischen Vorrichtung 104 des ersten Batteriemoduls 250-1, die Pluspole der Zellen 252 des ersten Batteriemoduls 250-1, der zweite Anschluss 158 der thermischen Vorrichtung 104 des zweiten Batteriemoduls 250-2 und die Minuspole der Zellen 252 des zweiten Batteriemoduls 250-2 miteinander verbunden.
  • Die Pluspole des dritten Batteriemoduls 250-3 sind mit den Minuspolen des vierten Batteriemoduls 250-4 verbunden. Folglich sind der erste Anschluss 156 der thermischen Vorrichtung 104 des dritten Batteriemoduls 250-3, die Pluspole der Zellen 252 des dritten Batteriemoduls 250-3, der zweite Anschluss 158 der thermischen Vorrichtung 104 des vierten Batteriemoduls 250-4 und die Minuspole der Zellen 252 des vierten Batteriemoduls 250-4 miteinander verbunden.
  • Zusätzlich sind die Pluspole des zweiten Batteriemoduls 250-2 mit den Minuspolen des dritten Batteriemoduls 250-3 verbunden. Obwohl nicht dargestellt, müssen die thermischen Vorrichtungen 104 nicht von den jeweiligen Batteriemodulen 250 versorgt werden; stattdessen kann der Strom von einem der Batteriemodule 250 an andere thermische Vorrichtungen 104 der anderen Batteriemodule 250 geliefert werden.
  • Ein oder mehrere Schalter 114, die mit den vier Batteriemodulen 250 verbunden sind, können geöffnet oder geschlossen werden. Beispielsweise können ein oder mehrere Schalter 114 beim Kaltstart und/oder während des Start/Stopp-Betriebs (d.h. im Auto-Start-Modus) geschlossen werden. Außerdem können ein oder mehrere Schalter 114 während des Lademodus, des Regenerationsmodus, des Leistungsverstärkungsmodus, des Testmodus, des Dual-/Hilfsbatteriemodus und anderer Betriebsmodi eines Elektro-/Hybridfahrzeugs (oder eines anderen Systems/einer anderen Anwendung) geschlossen werden.
  • Die thermischen Vorrichtungen 104, 104-1 sind bidirektional; d.h. ihr erster und zweiter Anschluss haben keine spezifische Polarität; vielmehr kann jeder Anschluss der thermischen Vorrichtungen 104, 104-1 mit einem Pluspol oder Minuspol einer Zelle oder eines Batteriemoduls verbunden werden. Strom fließt durch die thermische Vorrichtung 104, 104-1 von einem Anschluss, der mit einem Pluspol einer Zelle oder eines Batteriemoduls verbunden ist, zu einem Anschluss, der mit einem Minuspol der Zelle oder des Batteriemoduls verbunden ist.
  • Obwohl nicht gezeigt, können ähnliche Anordnungen wie die in den 6A-6C gezeigten und beschriebenen bei den in 7A und 7B gezeigten Zellen 252 und den Batteriemodulen 250 verwendet werden. Mit anderen Worten, die Zellen 252 können Pluspole und Minuspole auf entgegengesetzten Seiten jeder Zelle 252 statt auf der gleichen Seite jeder Zelle 252 enthalten. Ferner kann, obwohl nicht dargestellt, die in 2B gezeigte thermische Vorrichtung 104-1 anstelle der thermischen Vorrichtung 104 mit den in 7A und 7B gezeigten Zellen 252 und den Batteriemodulen 250 verwendet werden.
  • Zusätzliche Permutationen und Kombinationen der verschiedenen Merkmale und Konfigurationen der Zellen, Batteriemodule und thermischen Vorrichtungen, die unter Bezugnahme auf die 3A-7B beschrieben werden, sind durchführbar und in Betracht zu ziehen. Außerdem kann die thermische Vorrichtung 104 an verschiedenen Stellen eingesetzt werden (z.B. zwischen einer oder mehreren Zellen eines Batteriemoduls, um das Batteriemodul herum, ohne zwischen den Zellen des Batteriemoduls angeordnet zu sein, usw.) wie unten unter Bezugnahme auf 11A und 11B beschrieben.
  • 8A-8D zeigen Beispiele für eine Bipolarzelle und eine thermische Vorrichtung, die um die Bipolarzelle herum angeordnet ist. 8A zeigt zum Beispiel eine 12-V-Bipolarzelle 300 mit Plus- und Minuspolen auf der gleichen Seite der Bipolarzelle 300. Die in 8B gezeigte thermische Vorrichtung 104 umgibt die Bipolarzelle 300. In der dargestellten perspektivischen Ansicht ist nur die Kunststoffschicht 154-1 der thermischen Vorrichtung 104 sichtbar.
  • Der erste Anschluss 156 der thermischen Vorrichtung 104 ist mit dem Pluspol der Bipolarzelle 300 verbunden. Der zweite Anschluss 158 der thermischen Vorrichtung 104 ist über den Schalter 114 mit dem Minuspol der Bipolarzelle 300 verbunden. Alternativ kann, obwohl nicht dargestellt, der erste Anschluss 156 der thermischen Vorrichtung 104 über den Schalter 114 mit dem Pluspol der Bipolarzelle 300 verbunden sein, und der zweite Anschluss 158 der thermischen Vorrichtung 104 kann direkt mit dem Minuspol der Bipolarzelle 300 verbunden sein.
  • Die ersten und zweiten Anschlüsse 156, 158 der thermischen Vorrichtung 104 befinden sich auf entgegengesetzten Seiten der Bipolarzelle 300. Die Bipolarzelle 300 kann in dem in 1A gezeigten System 100 verwendet werden, und die thermische Vorrichtung 104 kann ähnlich wie die oben unter Bezugnahme auf 1A und 1B beschriebene thermische Vorrichtung 104 betrieben werden.
  • 8C zeigt ein Beispiel für eine Bipolarzelle 300-1 mit Plus- und Minuspolen auf den entgegengesetzten Seiten der Bipolarzelle 300-1. Die in 8B gezeigte thermische Vorrichtung 104 umgibt die Bipolarzelle 300-1. In der dargestellten perspektivischen Ansicht ist nur die Kunststoffschicht 154-1 der thermischen Vorrichtung 104 sichtbar.
  • Der erste Anschluss 156 der thermischen Vorrichtung 104 ist über den Schalter 114 mit einem Pluspol der Bipolarzelle 300-1 verbunden. Der zweite Anschluss 158 der thermischen Vorrichtung 104 ist direkt mit einem Minuspol (nicht sichtbar) der Bipolarzelle 300-1 verbunden. Alternativ kann, obwohl nicht dargestellt, der erste Anschluss 156 der thermischen Vorrichtung 104 direkt mit dem Pluspol der Bipolarzelle 300-1 verbunden sein, und der zweite Anschluss 158 der thermischen Vorrichtung 104 kann über den Schalter 114 mit dem Minuspol (nicht sichtbar) der Bipolarzelle 300-1 verbunden sein.
  • Die ersten und zweiten Anschlüsse 156, 158 der thermischen Vorrichtung 104 befinden sich auf entgegengesetzten Seiten der Bipolarzelle 300-1. Die Bipolarzelle 300-1 kann in dem in 1A gezeigten System 100 verwendet werden, und die thermische Vorrichtung 104 kann ähnlich wie die oben unter Bezugnahme auf 1A und 1B beschriebene thermische Vorrichtung 104 betrieben werden.
  • 8D zeigt ein Beispiel der Bipolarzelle 300 mit der in 2B gezeigten thermischen Vorrichtung 104-1, die die Bipolarzelle 300 umgibt. In der dargestellten perspektivischen Ansicht ist nur die Kunststoffschicht 154-1 der thermischen Vorrichtung 104-1 sichtbar. Der erste Anschluss 156-1 der thermischen Vorrichtung 104-1 ist über den Schalter 114 mit dem Pluspol der Bipolarzelle 300 verbunden. Der zweite Anschluss 158-1 der thermischen Vorrichtung 104-1 ist direkt mit dem Minuspol der Bipolarzelle 300 verbunden. Alternativ kann, obwohl nicht dargestellt, der erste Anschluss 156-1 der thermischen Vorrichtung 104-1 direkt mit dem Pluspol der Bipolarzelle 300 verbunden sein, und der zweite Anschluss 158-1 der thermischen Vorrichtung 104-1 kann über den Schalter 114 mit dem Minuspol der Bipolarzelle 300 verbunden sein.
  • Der erste und der zweite Anschluss 156-1, 158-1 der thermischen Vorrichtung 104-1 befinden sich auf der gleichen Seite der Bipolarzelle 300. Die Bipolarzelle 300 kann in dem in 1A gezeigten System 100 verwendet werden, und die thermische Vorrichtung 104-1 kann ähnlich wie die oben unter Bezugnahme auf 1A und 1B beschriebene thermische Vorrichtung 104 betrieben werden.
  • 9A-9C zeigen Beispiele für andere Anordnungen von mehreren Bipolarzellen und den thermischen Vorrichtungen 104, 104-1. In 9A sind beispielsweise zwei Bipolarzellen 310-1, 310-2 in Reihe geschaltet. Die Bipolarzellen 310-1, 310-2 sind identisch mit der in 8A gezeigten Bipolarzelle 300. Ein Minuspol der ersten Bipolarzelle 310-1 ist mit einem Pluspol der zweiten Bipolarzelle 310-2 verbunden. 9B zeigt ein Beispiel für die thermische Vorrichtung 104, die mit den beiden Bipolarzellen 310-1, 310-2 verwendet werden kann.
  • In 9A ist die thermische Vorrichtung 104 zwischen und um die beiden Bipolarzellen 310-1, 310-2 herum angeordnet. In der dargestellten perspektivischen Ansicht ist nur die Kunststoffschicht 154-1 der thermischen Vorrichtung 104 sichtbar. Der erste Anschluss 156 der thermischen Vorrichtung 104 ist mit einem Pluspol der ersten Bipolarzelle 310-1 verbunden. Ein Minuspol der zweiten Bipolarzelle 310-2 ist über den Schalter 114 mit dem zweiten Anschluss 158 der thermischen Vorrichtung 104 verbunden. Alternativ kann, obwohl nicht dargestellt, der erste Anschluss 156 der thermischen Vorrichtung 104 über den Schalter 114 mit dem Pluspol der ersten Bipolarzelle 310-1 verbunden sein, und der Minuspol der zweiten Bipolarzelle 310-2 kann direkt mit dem zweiten Anschluss 158 der thermischen Vorrichtung 104 verbunden sein.
  • Die ersten und zweiten Anschlüsse 156, 158 der thermischen Vorrichtung 104 befinden sich auf entgegengesetzten Seiten der beiden Bipolarzellen 310-1, 310-2. Die Bipolarzellen 310-1, 310-2 können in dem in 1A gezeigten System 100 verwendet werden, und die thermische Vorrichtung 104 kann ähnlich wie die oben unter Bezugnahme auf 1A und 1B beschriebene thermische Vorrichtung 104 betrieben werden.
  • 9C zeigt die beiden Bipolarzellen 310-1, 310-2 in Reihe geschaltet wie in 9A. Jede der ersten und zweiten Bipolarzellen 310-1, 310-2 ist in einer entsprechenden (d.h. separaten) thermischen Vorrichtung 104-1 eingeschlossen (d.h. abgedeckt oder umgeben). Ein erster Anschluss 156-1 der ersten thermischen Vorrichtung 104-1, die die erste Bipolarzelle 310-1 abdeckt, ist mit dem Pluspol der ersten Bipolarzelle 310-1 verbunden. Ein zweiter Anschluss 158-1 der ersten thermischen Vorrichtung 104-1, die die erste Bipolarzelle 310-1 abdeckt, ist über einen ersten Schalter 114 mit dem Minuspol der ersten Bipolarzelle 310-1 verbunden. Alternativ kann, obwohl nicht dargestellt, der erste Anschluss 156-1 der ersten thermischen Vorrichtung 104-1 über den ersten Schalter 114 mit dem Pluspol der ersten Bipolarzelle 310-1 verbunden sein, und der zweite Anschluss 158-1 der ersten thermischen Vorrichtung 104-1 kann direkt mit dem Minuspol der ersten Bipolarzelle 310-1 verbunden sein.
  • Zusätzlich ist ein erster Anschluss 156-1 der zweiten thermischen Vorrichtung 104-1, die die zweite Bipolarzelle 310-2 abdeckt, mit dem Pluspol der zweiten Bipolarzelle 310-2 verbunden. Ein zweiter Anschluss 158-1 der zweiten thermischen Vorrichtung 104-1, die die zweite Bipolarzelle 310-2 abdeckt, ist über einen zweiten Schalter 114 mit dem Minuspol der zweiten Bipolarzelle 310-2 verbunden. Alternativ kann, obwohl nicht dargestellt, der erste Anschluss 156-1 der zweiten thermischen Vorrichtung 104-1 über den zweiten Schalter 114 mit dem Pluspol der zweiten Bipolarzelle 310-2 verbunden sein, und der zweite Anschluss 158-1 der zweiten thermischen Vorrichtung 104-1 kann direkt mit dem Minuspol der zweiten Bipolarzelle 310-2 verbunden sein.
  • 10A und 10B zeigen Beispiele für eine duale thermische Vorrichtung. 10A zeigt ein Beispiel für eine duale thermische Vorrichtung 350-1. Die duale thermische Vorrichtung 350-1 ist der in 2A gezeigten thermischen Vorrichtung 104 ähnlich, außer dass die duale thermische Vorrichtung 350-1 zwei erste Schichten 150 (dargestellt als 150-1, 150-2 und als erste Schicht 150-1 bzw. zweite Schicht 150-2 bezeichnet), zwei Sätze der Metalldrähte 152-1, 152-2 und zwei Sätze der ersten und zweiten Anschlüsse 156, 158, die zwischen den Kunststoffschichten 154 angeordnet sind, umfasst.
  • Ein erster Satz der ersten und zweiten Anschlüsse 156, 158 ist mit der ersten Schicht 150-1 verbunden, und ein zweiter Satz der ersten und zweiten Anschlüsse 156, 158 ist mit der zweiten Schicht 150-2 verbunden. Die erste Schicht 150-1, ein erster Satz der Metalldrähte 152-1, 152-2, die auf der ersten Schicht 150-1 angeordnet sind, und ein erster Satz der ersten und zweiten Anschlüsse 156, 158, die mit der ersten Schicht 150-1 verbunden sind, bilden eine erste thermische Vorrichtung der dualen thermischen Vorrichtung 350-1. Die zweite Schicht 150-2, ein zweiter Satz der Metalldrähte 152-1, 152-2, die auf der zweiten Schicht 150-2 angeordnet sind, und ein zweiter Satz der ersten und zweiten Anschlüsse 156, 158, die mit der zweiten Schicht 150-2 verbunden sind, bilden eine zweite thermische Vorrichtung der dualen thermischen Vorrichtung 350-1.
  • 10B zeigt ein Beispiel für ein duale thermische Vorrichtung 350-2. Die duale thermische Vorrichtung 350-2 ist der in 2B gezeigten thermischen Vorrichtung 104-1 ähnlich, außer dass die duale thermische Vorrichtung 350-2 zwei erste Schichten 150 (dargestellt als 150-1, 150-2 und als erste Schicht 150-1 bzw. zweite Schicht 150-2 bezeichnet), zwei Sätze der Metalldrähte 152-3, 152-4 und zwei Sätze der ersten und zweiten Anschlüsse 156-1, 158-1, die zwischen den Kunststoffschichten 154 angeordnet sind, umfasst.
  • Ein erster Satz der ersten und zweiten Anschlüsse 156-1, 158-1 ist mit der ersten Schicht 150-1 verbunden, und ein zweiter Satz der ersten und zweiten Anschlüsse 156-1, 158-1 ist mit der zweiten Schicht 150-2 verbunden. Die erste Schicht 150-1, ein erster Satz der Metalldrähte 152-3, 152-4, die auf der ersten Schicht 150-1 angeordnet sind, und ein erster Satz der ersten und zweiten Anschlüsse 156-1, 158-1, die mit der ersten Schicht 150-1 verbunden sind, bilden eine erste thermische Vorrichtung der dualen thermischen Vorrichtung 350-2. Die zweite Schicht 150-2, ein zweiter Satz der Metalldrähte 152-3, 152-4, die auf der ersten Schicht 150-2 angeordnet sind, und ein zweiter Satz der ersten und zweiten Anschlüsse 156-1, 158-1, die mit der zweiten Schicht 150-2 verbunden sind, bilden eine zweite thermische Vorrichtung der dualen thermischen Vorrichtung 350-2.
  • Die duale thermische Vorrichtung 350-1 kann anstelle der thermischen Vorrichtung 104 in 3A-9C verwendet werden. Die duale thermische Vorrichtung 350-2 kann anstelle der thermischen Vorrichtung 104-1 in 3A-9C verwendet werden. Bei Benutzung können eine oder beide der ersten und zweiten thermischen Vorrichtungen in den dualen thermischen Vorrichtungen 350-1, 350-1 eingeschaltet werden, um einen oder mehrere Teile der Zellen und Batteriemodule zu erwärmen. Die ersten und zweiten thermischen Vorrichtungen in den dualen thermischen Vorrichtungen 350-1, 350-1 können mit unterschiedlichen Tastverhältnissen ein- und ausgeschaltet werden (z.B. durch das in 1A gezeigte System 100, z.B. unter Verwendung von PWM).
  • In einigen Implementierungen können die erste Schicht 150-1 und die zweite Schicht 150-2 verschiedene nicht-metallische Materialien enthalten, die gute Wärme- und Stromleiter sind. Außerdem können die erste Schicht 150-1 und die zweite Schicht 150-2 unterschiedliche Dicken haben. Darüber hinaus können die auf der ersten Schicht 150-1 angeordneten Metalldrähte ein anderes Material und/oder eine andere Dicke und ein anderes Layout (d.h. ein anderes Muster) aufweisen als die auf der zweiten Schicht 150-2 angeordneten Metalldrähte.
  • 11A und 11B zeigen Beispiele von Batteriemodulen und der dualen thermischen Vorrichtung, die um Zellen der Batteriemodule herum angeordnet ist. 11A zeigt die duale thermische Vorrichtung 350-1, die mit dem in 3A gezeigten Batteriemodul 200 verwendet wird. Die ersten Anschlüsse 156 der ersten und zweiten thermischen Vorrichtung in der dualen thermischen Vorrichtung 350-1 sind mit dem Pluspol der ersten Zelle 202-1 des Batteriemoduls 200 verbunden. Die zweiten Anschlüsse 158 der ersten und zweiten thermischen Vorrichtung in der dualen thermischen Vorrichtung 350-1 sind über entsprechende Schalter 114 mit dem Minuspol der vierten Zelle 202-1 des Batteriemoduls 200 verbunden. Alternativ können, obwohl nicht dargestellt, die ersten Anschlüsse 156 der ersten und zweiten thermischen Vorrichtungen in der dualen thermischen Vorrichtung 350-1 über entsprechende Schalter 114 mit dem Pluspol der ersten Zelle 202-1 verbunden werden, und die zweiten Anschlüsse 158 der ersten und zweiten thermischen Vorrichtungen in der dualen thermischen Vorrichtung 350-1 können direkt mit dem Minuspol der vierten Zelle 202-1 verbunden werden.
  • Eine oder beide der ersten und zweiten thermischen Vorrichtungen in der dualen thermischen Vorrichtung 350-1 können eingeschaltet werden, um einen oder mehrere Teile der Zellen 202 des Batteriemoduls 200 zu erwärmen. Das Batteriemodul 200 und die duale thermische Vorrichtung 350-1 können in dem in 1A gezeigten System 100 verwendet werden, und jede der ersten und zweiten thermischen Vorrichtungen in der dualen thermischen Vorrichtung 350-1 kann ähnlich wie die oben unter Bezugnahme auf 1A und 1B beschriebene thermische Vorrichtung 104 betrieben werden.
  • 11B zeigt die duale thermische Vorrichtung 350-1, die mit der in 8A gezeigten Bipolarzelle 300 verwendet wird. Die ersten Anschlüsse 156 der ersten und zweiten thermischen Vorrichtungen in der dualen thermischen Vorrichtung 350-1 sind mit dem Pluspol der Bipolarzelle 300 verbunden. Die zweiten Anschlüsse 158 der ersten und zweiten thermischen Vorrichtungen in der dualen thermischen Vorrichtung 350-1 sind über den Schalter 114 mit dem Minuspol der Bipolarzelle 300 verbunden. Alternativ können, obwohl nicht dargestellt, die ersten Anschlüsse 156 der ersten und zweiten thermischen Vorrichtungen in der dualen thermischen Vorrichtung 350-1 über den Schalter 114 mit dem Pluspol der Bipolarzelle 300 verbunden werden, und die zweiten Anschlüsse 158 der ersten und zweiten thermischen Vorrichtungen in der dualen thermischen Vorrichtung 350-1 können direkt mit dem Minuspol der Bipolarzelle 300 verbunden werden.
  • Eine oder beide der ersten und zweiten thermischen Vorrichtungen in der dualen thermischen Vorrichtung 350-1 können eingeschaltet werden, um einen oder mehrere Teile der Bipolarzelle 300 zu beheizen. Die Bipolarzelle 300 und die duale thermische Vorrichtung 350-1 können in dem in 1A gezeigten System 100 verwendet werden, und jede der ersten und zweiten thermischen Vorrichtungen in der dualen thermischen Vorrichtung 350-1 kann ähnlich wie die oben unter Bezugnahme auf 1A und 1B beschriebene thermische Vorrichtung 104 betrieben werden.
  • In einigen Implementierungen können die thermischen Vorrichtungen 104, 104-1, 350-1, 350-2 in jeder der in der vorliegenden Offenbarung gezeigten und beschriebenen Anordnungen von Batteriemodulen und -zellen die gesamte Oberfläche der Zellen oder der Batteriemodule abdecken, wie in 3A gezeigt. Zum Beispiel können die thermischen Vorrichtungen 104, 104-1, 350-1, 350-2 einen Teil der Oberfläche der Zellen oder der Batteriemodule abdecken. Beispielsweise können die thermischen Vorrichtungen 104, 104-1, 350-1, 350-2 nur einen mittleren Bereich der Zellen oder der Batteriemodule oder einen Bereich in der Nähe einer der Kanten der Zellen oder der Batteriemodule abdecken. Zum Beispiel können die ersten und zweiten thermischen Vorrichtungen in den dualen thermischen Vorrichtungen 350-1, 350-2 Teile in der Nähe der Kanten der Zellen oder der Batteriemodule abdecken.
  • In einigen Implementierungen können die thermischen Vorrichtungen 104, 104-1, 350-1, 350-2 zwischen alternierenden Zellen eines Batteriemoduls, zwischen alternierenden Batteriemodulen (in kaskadierten Batteriemodulen), zwischen jeder Zelle in allen außer dem ersten und dem letzten Batteriemodul und um das erste und das letzte Batteriemodul (in kaskadierten Batteriemodulen) herum angeordnet sein, usw. Jede Kombination der verschiedenen Anordnungen der in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen thermischen Vorrichtungen 104, 104-1, 350-1, 350-2 kann verwendet werden.
  • Im Rahmen der vorliegenden Offenlegung können die hier gezeigten und beschriebenen Batteriemodule ohne Einschränkung Zellen der folgenden Typen enthalten: flüssigkeitsbasierte Lithiumionen-Batterien, Hybridzellen (Flüssigkeit plus Polymer, Flüssigkeit plus Keramikpartikel) oder beliebige andere Zelltypen. Das Zellenformat kann, ohne Einschränkung, beutelartig, prismatisch oder zylindrisch sein. Ferner kann der Spannungsbereich, der mit den hier gezeigten und beschriebenen Batteriemodulen erreicht werden kann, 12 V bis 150 V betragen.
  • Die in der vorliegenden Offenlegung beschriebenen Batteriemodule und Zellen können andere Anordnungen von Plus- und Minuspolen enthalten. Beispielsweise können die Zellen und die Batteriemodule mehrere Plus- und Minuspole enthalten. Diese mehreren Pole können sich an mehreren Stellen auf den Zellen und den Batteriemodulen befinden. Die in der vorliegenden Offenlegung beschriebenen thermischen Vorrichtungen können mit diesen anderen Anordnungen betrieben werden.
  • Ferner sind in der vorliegenden Offenlegung die thermischen Vorrichtungen so dargestellt und beschrieben, dass sie von den jeweiligen Zellen oder Batteriemodulen gespeist werden, die die thermischen Vorrichtungen beheizen. Stattdessen können aber auch andere Stromquellen zur Versorgung der thermischen Vorrichtungen genutzt werden. In einem Elektrofahrzeug kann z.B. eine Hochspannungsbatterie zur Versorgung der thermischen Vorrichtungen verwendet werden (z.B. über einen DC-DC-Wandler). Alternativ kann der Strom von einem Ladegerät, das die Batteriemodule auflädt, zur Versorgung der thermischen Vorrichtungen verwendet werden (z.B. über einen DC-DC-Wandler). In anderen Beispielen kann ein an eine Wandsteckdose (Wechselstromnetz) angeschlossenes Netzteil zur Stromversorgung der thermischen Vorrichtungen verwendet werden. Der Strom aus diesen Quellen kann den thermischen Vorrichtungen über eine Fernbedienung, z.B. einen Schlüsselanhänger, zugeführt werden. Während der Fahrt kann der Strom von einem Generator im Fahrzeug zur Versorgung der thermischen Vorrichtungen genutzt werden. Viele andere alternative oder zusätzliche Stromquellen zur Versorgung der thermischen Vorrichtungen sind denkbar.
  • Die vorstehende Beschreibung ist lediglich illustrativer Natur und soll die Offenbarung, ihre Anwendung oder Verwendung nicht einschränken. Die umfassenden Lehren der Offenbarung können in einer Vielzahl von Formen umgesetzt werden. Obwohl diese Offenbarung bestimmte Beispiele enthält, sollte der wahre Umfang der Offenbarung daher nicht so eingeschränkt werden, da andere Modifikationen bei einem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche ersichtlich sind. Es versteht sich, dass ein oder mehrere Schritte innerhalb eines Verfahrens in unterschiedlicher Reihenfolge (oder gleichzeitig) ausgeführt werden können, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu verändern. Obwohl jede der Ausführungsformen oben mit bestimmten Merkmalen beschrieben wird, kann jedes einzelne oder mehrere dieser Merkmale, die in Bezug auf eine beliebige Ausführungsform der Offenbarung beschrieben werden, in einer der anderen Ausführungsformen implementiert und/oder mit Merkmalen einer anderen Ausführungsform kombiniert werden, auch wenn diese Kombination nicht explizit beschrieben ist. Mit anderen Worten schließen sich die beschriebenen Ausführungsformen nicht gegenseitig aus, und Permutationen von einer oder mehreren Ausführungsformen miteinander bleiben im Rahmen dieser Offenbarung.
  • Räumliche und funktionale Beziehungen zwischen Elementen (z.B. zwischen Modulen, Schaltungselementen, Halbleiterschichten usw.) werden mit verschiedenen Begriffen beschrieben, z.B. „verbunden“, „im Eingriff“, „gekoppelt“, „benachbart“, „neben“, „auf“, „über“, „unter“ und „angeordnet.“ Wenn eine Beziehung zwischen einem ersten und einem zweiten Element in der obigen Offenbarung nicht ausdrücklich als „direkt“ beschrieben wird, kann diese Beziehung eine direkte Beziehung sein, bei der keine anderen intervenierenden Elemente zwischen dem ersten und dem zweiten Element vorhanden sind, sie kann aber auch eine indirekte Beziehung sein, bei der ein oder mehrere intervenierende Elemente (entweder räumlich oder funktionell) zwischen dem ersten und dem zweiten Element vorhanden sind. Wie hierin verwendet, sollte die Formulierung „mindestens eines von A, B und C“ als logisches (A ODER B ODER C) unter Verwendung eines nicht-ausschließlichen logischen ODER ausgelegt werden und nicht als „mindestens eines von A, mindestens eines von B und mindestens eines von C“ verstanden werden.
  • In den Figuren zeigt die Richtung eines Pfeils, wie durch die Pfeilspitze angedeutet, im Allgemeinen den Informationsfluss (z.B. Daten oder Anweisungen) an, der für die Darstellung von Interesse ist. Wenn z.B. Element A und Element B eine Vielzahl von Informationen austauschen, aber die von Element A zu Element B übertragenen Informationen für die Darstellung relevant sind, kann der Pfeil von Element A zu Element B zeigen. Dieser unidirektionale Pfeil impliziert nicht, dass keine weiteren Informationen von Element B zu Element A übertragen werden. Außerdem kann Element B für Informationen, die von Element A an Element B gesendet werden, Anfragen nach oder Empfangsbestätigungen für die Informationen an Element A senden.
  • In dieser Anmeldung kann, einschließlich der nachfolgenden Definitionen, der Begriff „Modul“ oder der Begriff „Controller“ durch den Begriff „Schaltung“ ersetzt werden.‟ Der Begriff „Modul“ kann sich auf ein Modul beziehen, ein Teil davon sein oder enthalten: einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC); eine digitale, analoge oder gemischt analog/digitale diskrete Schaltung; eine digitale, analoge oder gemischt analog/digitale integrierte Schaltung; eine kombinatorische Logikschaltung; ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA); eine Prozessorschaltung (gemeinsam, dediziert oder Gruppe), die Code ausführt; eine Speicherschaltung (gemeinsam, dediziert oder Gruppe), die den von der Prozessorschaltung ausgeführten Code speichert; andere geeignete Hardwarekomponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen; oder eine Kombination aus einigen oder allen der oben genannten Möglichkeiten, z.B. in einem System on-Chip.
  • Das Modul kann eine oder mehrere Schnittstellenschaltungen enthalten. In einigen Beispielen können die Schnittstellenschaltungen verdrahtete oder drahtlose Schnittstellen umfassen, die mit einem lokalen Netzwerk (LAN), dem Internet, einem Weitverkehrsnetz (WAN) oder Kombinationen davon verbunden sind. Die Funktionalität eines beliebigen Moduls der vorliegenden Offenbarung kann auf mehrere Module verteilt sein, die über Schnittstellenschaltungen verbunden sind. Zum Beispiel können mehrere Module einen Lastausgleich ermöglichen. In einem weiteren Beispiel kann ein Server-Modul (auch als Remote- oder Cloud-Modul bezeichnet) einige Funktionen im Auftrag eines Client-Moduls ausführen.
  • Der Begriff Code, wie er oben verwendet wird, kann Software, Firmware und/oder Mikrocode umfassen und sich auf Programme, Routinen, Funktionen, Klassen, Datenstrukturen und/oder Objekte beziehen. Der Begriff „Schaltung mit gemeinsam genutztem Prozessor“ (shared processor circuit) umfasst eine einzelne Prozessorschaltung, die einen Teil oder den gesamten Code von mehreren Modulen ausführt. Der Begriff Gruppenprozessorschaltung umfasst eine Prozessorschaltung, die in Kombination mit weiteren Prozessorschaltungen einen Teil oder den gesamten Code von einem oder mehreren Modulen ausführt. Verweise auf Mehrprozessorschaltungen (multiple processor circuits) umfassen mehrere Prozessorschaltungen auf diskreten Chips, mehrere Prozessorschaltungen auf einem einzigen Chip, mehrere Kerne einer einzigen Prozessorschaltung, mehrere Threads einer einzigen Prozessorschaltung oder eine Kombination der oben genannten. Der Begriff „Schaltung mit gemeinsam genutztem Speicher“ (shared memory circuit) umfasst eine einzelne Speicherschaltung, die einen Teil oder den gesamten Code von mehreren Modulen speichert. Der Begriff „Gruppenspeicherschaltung“ umfasst eine Speicherschaltung, die in Kombination mit weiteren Speichern einen Teil oder den gesamten Code von einem oder mehreren Modulen speichert.
  • Der Begriff „Speicherschaltung“ ist eine Untermenge des Begriffs „computerlesbares Medium“. Der Begriff „computerlesbares Medium“, wie er hier verwendet wird, umfasst keine transitorischen elektrischen oder elektromagnetischen Signale, die sich durch ein Medium (z.B. auf einer Trägerwelle) ausbreiten); der Begriff „computerlesbares Medium“ kann daher als greifbar/materiell und nicht-transitorisch betrachtet werden. Nicht einschränkende Beispiele für ein nicht-transitorisches, greifbares, computerlesbares Medium sind nichtflüchtige Speicherschaltungen (z.B. eine Flash-Speicherschaltung, eine löschbare, programmierbare Festwertspeicherschaltung oder eine Maskenfestwertspeicherschaltung), flüchtige Speicherschaltungen (z.B. eine statische Direktzugriffsspeicherschaltung oder eine dynamische Direktzugriffsspeicherschaltung), magnetische Speichermedien (z.B. ein analoges oder digitales Magnetband oder ein Festplattenlaufwerk) und optische Speichermedien (z.B. eine CD, eine DVD oder eine Blu-ray Disc).
  • Die in dieser Anwendung beschriebenen Geräte und Verfahren können teilweise oder vollständig von einem Spezialcomputer implementiert werden, der durch Konfiguration eines Allzweckcomputers zur Ausführung einer oder mehrerer bestimmter, in Computerprogrammen verkörperter Funktionen gebildet wird. Die oben beschriebenen Funktionsblöcke, Flussdiagrammkomponenten und andere Elemente dienen als Softwarespezifikationen, die durch die Routinearbeit eines erfahrenen Technikers oder Programmierers in die Computerprogramme übersetzt werden können.
  • Die Computerprogramme enthalten prozessorausführbare Befehle, die auf mindestens einem nicht-transitorischen, greifbaren, computerlesbaren Medium gespeichert sind. Die Computerprogramme können auch gespeicherte Daten enthalten oder auf diese zurückgreifen. Die Computerprogramme können ein Basis-Eingabe/Ausgabe-System (BIOS) umfassen, das mit der Hardware des Spezialcomputers interagiert, Gerätetreiber, die mit bestimmten Geräten des Spezialcomputers interagieren, ein oder mehrere Betriebssysteme, Benutzeranwendungen, Hintergrunddienste, Hintergrundanwendungen usw.
  • Die Computerprogramme können enthalten: (i) beschreibenden Text, der geparst werden soll, z.B. HTML (Hypertext Markup Language), XML (Extensible Markup Language) oder JSON (JavaScript Object Notation) (ii) Assembler-Code, (iii) von einem Compiler aus dem Quellcode generierten Objektcode, (iv) Quellcode zur Ausführung durch einen Interpreter, (v) Quellcode zur Kompilierung und Ausführung durch einen Just-in-Time-Compiler usw. Nur als Beispiele: Der Quellcode kann mit der Syntax von Sprachen wie C, C++, C#, ObjectiveC, Swift, Haskell, Go, SQL, R, Lisp, Java®, Fortran, Perl, Pascal, Curl, OCaml, JavascriptⓇ, HTML5 (Hypertext Markup Language 5th revision), Ada, ASP (Active Server Pages), PHP (PHP: Hypertext Preprocessor), Scala, Eiffel, Smalltalk, Erlang, Ruby, Flash®, Visual Basic®, Lua, MATLAB, SIMULINK und Python® geschrieben sein.

Claims (10)

  1. Thermische Vorrichtung, umfassend: eine erste Schicht aus einem nicht-metallischen Material, das ein guter Wärme- und Elektrizitätsleiter ist, die einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist und die eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche hat; ein metallisches Material, das auf der ersten Oberfläche der ersten Schicht angeordnet ist; eine erste Kunststoffschicht, die auf dem metallischen Material angeordnet ist; und eine zweite Kunststoffschicht, die auf der zweiten Oberfläche der ersten Schicht angeordnet ist, wobei die erste Kunststoffschicht und die zweite Kunststoffschicht ein Kunststoffmaterial enthalten, das ein guter Wärmeleiter ist.
  2. Thermische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das nicht-metallische Material Graphit, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhren, gepressten Graphit oder Kohlenstoffpulver, ein Polymer oder ein Phasenwechselmaterial umfasst.
  3. System, umfassend: die thermische Vorrichtung nach Anspruch 1; und eine Batterie mit N Zellen, wobei N eine positive ganze Zahl ist; wobei die thermische Vorrichtung um mindestens eine der N Zellen herum angeordnet ist; der erste Anschluss mit dem Pluspol oder dem Minuspol der Batterie verbunden ist; und der zweite Anschluss über einen Schalter mit dem anderen des Pluspols und des Minuspols der Batterie verbunden ist.
  4. System nach Anspruch 3, wobei die erste Schicht der thermischen Vorrichtung Wärme von der mindestens einen der N Zellen ableitet.
  5. System nach Anspruch 3, wobei: Strom durch die erste Schicht fließt und die erste Schicht und das metallische Material erwärmt; und das metallische Material Infrarotstrahlung erzeugt, die die mindestens eine der N Zellen erwärmt.
  6. Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend: einen Temperatursensor, der so konfiguriert ist, dass er eine Temperatur der mindestens einen der N Zellen erfasst, und eine Startschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie den Schalter in Reaktion darauf schließt, dass die Temperatur kleiner als eine Schwellentemperatur ist, und den Schalter in Reaktion darauf öffnet, dass die Temperatur größer oder gleich der Schwellentemperatur ist.
  7. System, umfassend: M der thermischen Vorrichtungen nach Anspruch 1, wobei M eine positive ganze Zahl ist; und M miteinander verbundene Batterien, wobei jede der M Batterien N Zellen enthält, wobei N eine positive ganze Zahl ist; wobei die M thermischen Vorrichtungen angeordnet sind jeweils um mindestens eine der N Zellen der M Batterien herum; jeweils um die M Batterien herum, ohne um die N Zellen der M Batterien herum angeordnet zu sein; oder beides; der erste Anschluss der M thermischen Vorrichtungen mit dem jeweiligen Pluspol oder Minuspol der M Batterien verbunden ist; und der zweite Anschluss der M thermischen Vorrichtungen über einen jeweiligen Schalter mit dem jeweiligen anderen des Pluspols oder Minuspols der M Batterien verbunden ist.
  8. Thermische Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine zweite Schicht aus einem nicht-metallischen Material, das ein guter Wärme- und Elektrizitätsleiter ist, die einen dritten Anschluss und einen vierten Anschluss aufweist und die eine dritte Oberfläche und eine vierte Oberfläche hat; ein zweites metallisches Material, das auf der dritten Oberfläche der zweiten Schicht angeordnet ist; wobei die erste Kunststoffschicht auf dem zweiten metallischen Material angeordnet ist; und die zweite Kunststoffschicht auf der vierten Oberfläche der zweiten Schicht angeordnet ist.
  9. System, umfassend: die thermische Vorrichtung nach Anspruch 8; und eine Batterie mit N Zellen, wobei N eine positive ganze Zahl ist; wobei die thermische Vorrichtung um mindestens eine der N Zellen herum angeordnet ist; der erste Anschluss und der dritte Anschluss mit dem Pluspol oder dem Minuspol der Batterie verbunden sind; und der zweite Anschluss und der vierte Anschluss über einen ersten Schalter bzw. einen zweiten Schalter mit dem anderen des Pluspols und des Minuspols der Batterie verbunden sind.
  10. System nach Anspruch 9, wobei die erste Schicht und die zweite Schicht Wärme von der mindestens einen der N Zellen ableiten, wobei das System ferner umfasst: eine Startschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie ein Signal zum Verbinden der Batterie mit einer Last empfängt und als Reaktion auf den Empfang des Signals den ersten und/oder den zweiten Schalter schließt, wobei Strom durch die erste Schicht und/oder die zweite Schicht fließt und die erste Schicht und/oder die zweite Schicht sowie das metallische Material und/oder das zweite metallische Material erwärmt; und wobei das metallische Material und/oder das zweite metallische Material Infrarotstrahlung erzeugt, die die mindestens eine der N Zellen erwärmt.
DE102021107965.9A 2020-07-16 2021-03-30 Thermische vorrichtung zum heizen und kühlen von batteriemodulen Pending DE102021107965A1 (de)

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